（地球探测与信息技术专业论文）润扬大桥南锚碇基础稳定性分析与安全监测.pdf

摘要 地基基础作为上部结构的承重部分，其稳定性与安全性直接关系到整个工程 的质量，成为整个桥梁工程设计施工体系的重中之重。基础监测作为工程施工过 程中重要环节，起着及时监控整个基础工程旌工质量，提供精确科研数据，发现施 工隐患等作用。通过对大桥及地基基础安全监控，随时掌握大桥及地基基础的稳 定状况，发现不稳定因素，及时采取安全措施，是保证大桥施工及安全运行的必 备条件。 本文针对润扬大桥南锚碇基础，根据排桩冻结法围护结构的特点进行锚碇基 础安全监测的布置、监测信息分析预测，建立了排桩冻结法围护结构的锚碇基础 安全监测方法和体系。基于三维有限元仿真分析模型的计算成果，对锚碇基础基 坑开挖、基础施工进行动态模拟，并对其位移变形应力进行分析，对其抗滑移、抗 倾覆稳定进行计算，建立合理的安全监测模型。并且以基坑支撑梁钢筋应力应变 进行三维有限元分析研究为例，阐述了钢筋混凝土结构钢筋受力时应力应变特 征，以及用钢筋计量测的重点部位。最后对锚碇基础的安全稳定性监测进行综合 分析。将有限元理论与现场监测手段相结合，对大型悬索桥锚碇基础稳定性的进 行分析、预测与控制。 本文对润扬长江公路大桥南锚碇排桩围护结构基础稳定性问题开展了深入 的研究。基于三维有限元仿真模型的计算结果以及稳定性分析结果，建立的安全 监测模型更为合理。结果表明，南锚碇基础建设期及运营期的抗滑移和抗倾覆稳 定性均满足稳定性设计的要求。基于基础中钢筋混凝土结构钢筋应力应变的三维 有限元分析结果，所确定的钢筋应力重点监控部位更为精确，确保了锚碇基础工 程的稳定与安全。 关键词：排桩冻结法围护结构锚碇基础稳定性分析安全监测应力应变 a b s t r a c t a sb e 痂gp a no fu p p e rs t f l l c t i l r e ，f o u n 捌o nb e c o m e 血ei n o s ti m p o r t a n ti nb r i d g e g i n e e 血玛d e s i 粤l i i 玛锄dc o n s 协j c t i o n ，m es t a b i l i 哆a i l ds a f e 哆o ff 0 础石o nd i r e c y r e l a t i o nt 0t l l eq u a l i 哆o fw h o l ee n g i n e e f i n g a sk e ys t 印，f o 姐d a d o nm o n i t o r i l 培i s t i i n e l ym o n i t o rc o i l s 咖c d o nq u a l i 饥锄dp r o v i d ea c c u r a t es c i e n c er e s e a r c hd a 饥f o u n d h i d 妇ld a n g e r 嗷t h r o u g hm o n i t o r i n g ，w ec a nm o i i 】e 1 1 t a r i l ym a s t e ri t ss 油i l 毋 s t a t u s ，f o l l i l di n s t a m h 锣f 犯t o r s 雏da d o p tm e a s u r e s i ti se s s e n t i a lt 0c o n s 觚l c t i n ga n d m 衄i n gs a 危t ) ，l yo fb r i d g e a c c o r d i n gt o 也es o u r n la n c h o rf o 删o no f y a n gb r i d g e ，b a s e do n so f 厅0 z e nr o w p i l e se n c l o s i e s m l c t i l r e ，p e o 眦s a f e t ) ，m o n i t 0 而g ，i l l f o 衄a t i o n a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o n e s 油b s hs a f e t ym o n i t o 咖gm e a n l r e sa n ds y s t e m s b u i l d i n g o nm et l l f e e d i m e n s i o n a l 觚t ee l e m e n tm o d e l ，t h en o n l i n e 盯f - m i t ee l 啪e n tp r o b l 饿 w 勰s o l w d t h es e n s i t i ：v e0 f 也ea n c h o rb u i l d i i l gt os l i d i n g ，t u m i n gf o r c e sa n do m c r p a m m e t e l l st 0t h eb u i l d i n g s 嘲b i l i 够i n n u 髓c ew 鹊a l s oe m p h 鹊泣e d a c c o r d i n gt 0 也e r e s u l t s ，t h e 鼢名哆m o r i i t o ri n o d e lw a se s 协l i s h e d a c c o r d i n gt 0t h em r e e d i m e n s i 0 豫l 丘n i t ee 1 锄e n ta n s y s i s0 ns t c e ls 仃c s s 锄ds 缸a i no fr e i n f 0 f c e dc o n c r e l cb m c ei nd e 印 f h n d a m e n t a l ，d i s c u s s e dm ec h a r a c t e 血；t i c so fs t e e ls 由r e s sa n ds t a i ni nr c i i l f o r c e d c o n c r e t es 价l c t i l r ew h e ni tf o e c e d ，锄df 0 蚰dn l ek e ym s u 痂玛p o s i t i o nl l s i n gn l e s 缸c s s g a u g e s f i i l a u yi t 锄l y s ei n t e g r a t e m y 也es t a _ b i l i 妙m o n i t o r i n go fa n c h o r f o 蛐d a t i o n so fs u s p 锄s i o nb f i d g e c 伽1 b i 血g 缸t ee l i 嘲锄：t s 吐l e o r yw i 也f i e l d m o n i t o 血gm n s ，丘n i s ht h ea m l y s i s 、p 捌i c t i o n 弛dc o n t r o i n gf o r 血es t a b n i 锣o f a n c h o rf o u l l d a t i o no fs u s p e n s i o nb r i d g e s t h i sp a p e rs t i l d yd e 印l yo ns 讪i l i 妙o ff 沁z e nr o w p i l e se n c l o s u r es t f l l c t u r e o fn l es o l l i 恤a n c h o rf o u n d 撕o no f 脚n g b r i d g c 1 1 l e 阻f e 够m o n i t o rm o d e l ，b a l s e d o nt t l eo u 印u to ft 1 1 r e e - d i m e n s i o n 菇毗ee i e m e n ts i m l a t i o n ，i sm o r er e a s o m 山l e a sa r e s u l t ，也es 协b i l i t ) ，a g a i n s ts i i d i n g 锄do v e r t l 姬n i n gf o r c e so ft h es o l l n h 锄c h o r f o u n d a t i o nd l l r i n gt 1 1 ec o u 瑙eo fc o n s 劬j c 廿o na n dr u l l i l i n g ，s a t i s 6 e d 也er e q u e s to ft 1 1 e s 油i h 锣d e s i g n t h ek c ym s 证n gp o s i t i o no fs t e e ls 吣s ，b a s e e do nt 董1 ea n s y s i s r e s u l t so ft t l r e e d i m e n s i o nf m t ee l 锄e n t ，i sm o r ea c c l u 阻t e k e yw o r d s ：f 硒z e nr o w p i i e se n c l o s l l r es t n l c m r e a n c h o rf o u n d a t i o n s t a b i l i t ya n a l y s i ss a f e 哆m o n i t o r i n g s t l e s sa n ds t r a i n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：茎! 呈遮2 0 0 8 年易月午日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 孑2 收 2 0 0 8 年月午日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的显著提高，各项工程建设正 以前所未有的规模和速度迅猛发展，在很大的程度上改变了我国的城乡面貌，城 乡变化日新月异。与此同时随着城市现代化的发展，相近城市的经济联系越来越 密切，大型的城市群正在形成，各项基础设施的建设在以前所未有的速度发展。 为适应经济发展的需要和人民群众物质文化联系紧密的需要，我国先后建成了青 马大桥、虎门大桥、江阴大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥等多座特大跨径悬 索桥梁。这些桥梁一般具有跨度大、上部结构重和地基受力大等特点，因此基础 结构规模也相应较大。悬索桥是目前跨越能力最大的一种桥型，跨度在千米以上 的已建桥梁全部是采用悬索桥形式。作为悬索桥的地基基础部分，锚碇的设计与 施工非常重要，其稳定与否直接关系到大桥的安全和人民生命财产的安全。因此， 建设期和运营期的悬索桥地基基础稳定性已经引起工程界的广泛重视。 锚碇的作用是将主缆拉力传递到地基中，一般分为重力式锚锭、隧道式锚锭、 土锚锚锭。隧道式锚碇一般用于节理较少、岩体力学性能较好的外露基岩的桥址 处。大缆的巨大水平力通过索股、锚杆传入隧道中的混凝土，再通过混凝土与 隧道岩体间的粘结力传递给周围的岩体。而重力式锚碇一般由锚体和基础组成， 重力式锚碇基础形式多样，分为直接基础形式和人工基础形式。直接基础是指锚 体直接作用于持力层上；而人工基础则是由于锚碇区域表层岩体或土体力学性能 较差，必须采用人工开挖工作，将基础作用到持力岩层或土层上。通常采用的人 工基础有桩基础、扩大基础、沉箱( 井) 基础、地下连续墙围护施工的基础以及 采用排桩围护和冻土墙围护施工的基础。 无论是直接基础型，还是人工基础型的重力锚碇，都是以地基的反力来抵抗 锚块、基础与索股拉压力在竖直方向形成的分量，而索股在水平方向的巨大拉力 则由锚块与地基或基础与地基的摩阻力抵抗。锚碇体的受力机制体现为作用在悬 索桥主缆上的巨大水平拉力通过索股与锚碇架分散传到锚块上，再由锚块、基础 通过摩阻力传递到地基上乜1 ，其受力特点类似于重力坝，如以基底摩阻力为主要 抗滑力、需承受扬压力和巨大的水平荷载，但还存在更不利的因素，承受主缆的 河海大学硕士学位论文 巨大斜向上拔力时力的作用点集巾、传力机理复杂，加之锚碇以塔墩地基和河岸 岸坡为抗力体，边界条件独具特色。故对锚碇基础的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性， 以及对锚碇位移的控制要求非常严格。鉴于锚碇系统在悬索桥中的重要性，要对 其进行抗滑移及抗倾覆稳定性分析，并建立安全监控模型，是确保锚碇基础在施 工过程中和成桥满载情况下的安全稳定必要条件之一。 常规的理论分析方法将地基视为弹性半空间体，将锚锭做为刚体，建立协 调方程，求解联立方程组的方法求解锚锭基础的内力和位移。这种简明的解析方 法把土体当作单一的各向同性的弹性体求解，不能够反映土体的实际情况，即土 体的不均匀性和非线性。模拟实验的方法在定的程度上可以反映土体在共同作 用下的内力和位移变形机制，但是这种方法极为耗费人力和物力，同时由于加载 条件，边界条件，模型的规模都不能和实际情况相提并论，得到的结果也只是在 小范围内有些影响，对于大型工程，模拟实验的结果的作用不显著。 近年来，由于计算机技术的快速发展，数值求解方法及应用都获得了突破， 数值模拟越来越多的应用在土木工程领域，已经成为地质工程问题重要的研究手 段。数值模拟作为模型实验和数值求解的结合体，在一定程度上可以代替模型实 验，把两者进行有机结合，协调发展，可以取得很好的经济和技术成果。本文针 对江苏润扬大桥南汉南锚锚碇基础工程应用a d i n a 程序建立三维有限元仿真分 析模型，对锚锭基础基坑支护支撑梁钢筋应力应变特征进行研究，对锚碇基础抗 滑移、抗倾覆稳定性进行计算分析，并建立合理的安全监测模型，根据监测数据 对锚碇基础进行动态预测研究，最后对锚碇基础的安全稳定性进行相关评价。根 据已有的监测数据与数值分析获得的数据进行对比分析，通过理论计算模型与现 场监测手段相结合，来进行大型悬索桥锚碇基础稳定性的分析、预测与控制，从 而得出大跨悬索桥锚碇基础稳定性分析的有益结论，制定更加合理的基础监测方 案，为基础施工及整座工程的建设提供有力保障。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 钢筋混凝土结构应力应变监测研究进展 钢筋混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、隧道、矿井、以及水利、 海港等工程中。同样在岩土工程中钢筋混凝土结构也是应用最广泛的的一种结构 2 第一章绪论 形式，无论是基坑工程、支护工程、边坡工程，还是基础工程大都是采用钢筋混 凝土结构。在基础工程安全监测中对钢筋混凝土结构的安全监测成为重中之中， 对钢筋与混凝土的力学性能研究、作用机理分析、破坏因素剖析成为钢筋混凝土 结构分析的关键，在整个工程的监测中发挥着巨大的指导作用，对工程监测具有 重大意义。 袁志芬( 2 0 0 1 ) n 1 分析研究了混凝土的强度与变形及前人提出的各种本构关 系，深入探讨了混凝土的强度破坏准则、应力非线性指标、等效一维应力应变关 系三个方面，建立了一种混凝土全量式非线性本构模型；研究了钢筋的受力性能 及其非线性特性，建议采用了理想弹塑性本构关系。 王伟( 2 0 0 3 ) 通过单调静力加载试验研究，对梁的裂缝延仲和开展、纵筋 应变、箍筋应变、梁的挠度等指标进行了细致的量测，试图追踪每根试件在裂缝 发展及破坏过程中钢筋沿梁长、沿梁高应变分布的变化与裂缝发展程度的相关 性，进而总结出有腹筋简支梁裂缝开展及钢筋应力分布的一般规律。其次，通过 对比研究小同纵筋率试件的裂缝开展和延伸规律、破坏形态特征、以及承载能力 等，初步总结了纵筋率的影响规律。 王艺霖( 2 0 0 5 ) 佑1 在总结前人研究成果的基础上，对钢筋与混凝土粘结问题 进行了全面的分析，并针对其中的一些重点问题从理论和试验两个方面开展了研 究：在理论分析方面：针对钢筋拔出实验中如何将钢筋应变数据处理得到准确的粘 结应力值的问题，分两种应变片布置情况提出了得到粘结应力分布曲线的处理方 法。其中对应变片布置不均匀的情况，提出了一种全新的方法来得到测点处的粘 结应力值，其简便性与准确性的特点己山试验所验证；通过数据分析提出了粘结 应力沿锚固长度分布的计算公式，该公式准确度高、反映因素全面，便于实际应 用。对于光面钢筋的情况，本文又给出了进一步处理得到粘结应力一滑移关系的 方法。在试验上作方面，首先分钢筋种类不同和混凝土水灰比不同这两种情况比 较了极限粘结强度，然后从四个角度比较了不同试件的粘结应力一滑移曲线，得 到的结论对粘结性能的规律作了更深刻的揭示。 吕金等( 2 0 0 7 ) 1 根据约束混凝土应力应变关系，采用纤维单元模型与插 值函数结合的方法，编制适用于计算不同截面的约束混凝土弯矩曲率曲线的 程亭，经比较该程序具有良好的精度和适用性。 河海大学硕士学位论文 黄丽伟等( 2 0 0 7 ) h 1 以我国某大型抽水蓄能电站工程为实例，利用大型通用 有限元软件a b a o u s 对该电站尾水钢筋混凝土岔管洞段围岩及衬砌的变形和应 力状况进行三维有限元分析，根据计算结果对衬砌进行了配筋计算，提出了在实 际工作中应做好围岩的固结灌浆、衬砌和锚固的建议。 卢静涵( 2 0 0 7 ) 叫采用一级轻气炮驱动飞片撞击实验技术，对三种不同配筋 率下的钢筋混凝土靶板进行了动力冲击压缩实验，测得不同冲击速度下的应力时 程曲线。通过l a g r a n g e 分析方法对实验数据进行处理，分析了配筋及配筋率对 材料性能的影响。结果表明：在强冲击载荷作用下，配筋率的增加提高了整体的 抗冲击性能：钢筋的加入在定程度上降低了混凝土材料的刚度和强度。 有限元非线性分析方法在钢筋混凝土结构的研究和设计及监测中有着广泛 的应用前景。首先是作为一种强有力的研究工具，可以用于计算分析在试验中难 以搞清楚的各种问题，例如不同材料界面的持性、不同结构与介质之间的用合特 性、结构中的局部应力问题以及复杂体型结构的内力与变形性能等问题。其次是 作为一种非线性设计方法的工具，可以应用于重要结构的设计工作。还可以应用 于模拟施工过程的计算分析，用有限元分析方法就可以模拟全过程的受力性能、 应力及变形分布以及徐变后的应力重分布，为设计和监测及施工提供参考信息。 1 2 2 基础稳定性分析研究进展 近些年来，我国修建的桥梁规模之浩大，结构之新颖，技术之先进，在世界 桥梁史上翻开了新的一页。随着科技水平的飞速发展和施工水平的不断提高，悬 索桥已成为大跨度桥梁建设中的常用桥型。悬索桥作为一种常用桥型，迄今已有 七十多年的历史，在结构设计和施工技术方面都比较成熟。但是在新的世纪，在 复杂条件下特大桥梁的建设中，岩土工程方面仍面临着许多新的挑战。如大跨度 悬索桥工程所涉及到的锚碇基础稳定性分析及安全评价与对策，提出了许多新的 岩土力学新课题，有待进一步研究阳1 。 桥梁工程具有投资大、设计周期长、使用环境恶劣的特点，易受自然环境的 影响，且长期承受动荷载作用。地基基础作为桥梁的根基，如果发生稳定性破坏， 将导致整个桥梁损毁，这将直接关系到人民生命财产安全，乃至于一个国家的经 济发展、社会稳定与国家安全。因此，桥梁地基基础稳定性已经引起工程界的广 泛重视u 引。 4 第一章绪论 在2 0 世纪6 0 年代以前，锚块和基础的稳定性分析无论是直接基础，还是沉井、 沉箱等基础，其锚碇自身的滑移、锚块的下沉、锚块在主缆竖向分力作用下发生 倾倒，都是绝对不允许的。从1 9 6 4 年建成韦拉扎诺桥开始，悬索桥锚碇可以搁 在软质地基上，允许下沉，严格限制滑动，尽量减少倾覆量。目前，抗滑移与抗 倾覆稳定的设计计算主要建立在刚体模型的基础上，这种模型未考虑基础与周边 土体的摩擦力以及前侧土的抗力等作用，仅将其作为安全储备，因此显得过于粗 糙，也难以反映实际情况晗1 。 目前，可以进行地基基础稳定性分析的理论方法主要有极限平衡法与干扰能 量法等，但这些方法在非线性有限元求解等方面尚不成熟。因此，有必要对地基 基础的稳定性分析方法进行深入研究。 林碧华等( 1 9 9 7 ) 1 在全面阐述虎门大桥区域地质条件及桥址岩土体特征的 基础上，着重讨论了悬索桥桥塔地基基础类型和桩基基础垂直荷载的计算方法； 另对影响威远炮台古迹的大桥东锚碇区的边坡，通过分析边坡岩体工程地质特 性，结合室内外试验结果和有关公式反算取得相关力学参数， 选择了典型的易 滑剖面，逐层研究计算了边坡的稳定性参数。 王锋君( 2 0 0 0 ) n 甜对美国第一大跨度悬索桥维拉扎诺海峡桥锚碇的设 计和施工进行了详细的介绍，并对设计时的土壤调查，沉降估算，滑动摩擦试验 进行详细阐述，对目前国内方兴未艾的大跨度悬索桥建设有重要参考价值。 赵启林等( 2 0 0 1 ) n 3 1 综述悬索桥在国内外的发展现状与前景，指出对锚碇系 统进行详细研究的必要性。在详细介绍锚碇系统传力过程的基础上，分别从锚碇 系统的稳定性、变位、强度与温度应力、施工力学、优化等几个方面阐述锚碇系 统力学分析的现状，讨论现有分析方法的缺点。文末针对基础失稳的力学机制、 长期变位中的蠕变特性、考虑结构与基础相应作用及场耦合的三维有限元模型、 施工力学模型、参数确定、反馈设计等方面提出一系列有待解决的问题。 冯兆祥等( 2 0 0 3 ) n 钔根据江阴大桥南锚碇基础接触应力近百次的观测资料， 揭示了层状岩层地基上大跨径悬索桥重力式嵌岩锚基础接触应力在施工及营运 阶段的变化规律。实测结果表明：不同施工阶段，锚碇基础不同部位接触应力 呈现出不同的变化特征，锚碇运行处于安全状态。 吴胜东等( 2 0 0 3 ) n 副对润扬长江公路大桥南汊悬索桥北锚基础进行研究发现， 5 河海大学硕士学位论文 由于基础位于地质水文条件复杂的世业洲北部，并经过多阶段多方案的反复论证 比较，最终确定采用矩形地下连续墙基础方案，介绍其基础方案的比选情况。 邵国建等( 2 0 0 3 ) n 引针对润扬大桥悬索桥北锚碇基础的浇筑施工、运行过程， 基于大型有限元分析软件m a r c 进行二次开发，建立了锚碇基础和土体共同作用 的三维有限元仿真计算模型。考虑锚碇基础浇筑过程中地下水位改变引起基底水 压力的变化对锚碇基础接触应力分布的影响，对锚碇体浇筑到运行的全过程进 行了仿真数值计算，揭示了岩层地基上悬索桥重力式嵌岩锚碇基础接触应力在 旌工到运行过程中的变化规律。工程实例数值计算结果表明，在不同施工浇筑 阶段，尽管锚碇基础不同部位的接触应力呈现出不同的变化特征，北锚碇基础 在施工到运行全过程中基础接触应力总体满足设计要求。 张志荣等( 2 0 0 3 ) “力在对排桩冻结法在润扬大桥南锚锭基础中应用研究后指 出深基坑“冻结排桩”围护新技术在润场大桥南锚碇基础工程中应用取得圆满成 功，该方法使结构物深基础嵌岩问题变得简单易行通过工程实践；仍有一些需要 解决的技术难题，例如如何有效地控制冻结墙体厚度；如何降低冻胀力对结构的 影响；研究新的卸压手段等。 郭慧光等( 2 0 0 4 ) n 鄙模拟了阳逻长江公路大桥南锚碇基础深基坑开挖过程； 并与实测侧移进行了比较分析。模拟结果表明圆形地下连续墙的拱效应有效地减 少了墙体的侧移；施工误差对结构受力和变形有重要影响；实测侧移都在按5 误差所建模型控制之内。所得出的结论为此类基坑支护结构设计和施工提供了理 论依据和实践参考。 陈午生等( 2 0 0 5 ) n 町在分析现行规范板式基础抗倾覆稳定评价方法基础上， 指出现行的板式基础抗倾覆稳定评价方法的局限性，根据魏锡克( v e s i c ) 公式提出 了新的评价方法，可对不同地基承载力条件下的板式基础抗倾覆稳定分析提供参 考。 刘明虎等( 2 0 0 6 ) 呦1 对武汉阳逻长江大桥锚锭设计进行研究后指出武汉阳逻 长江大桥主桥北锚锭采用放坡大开挖深埋扩大基础实腹式锚体重力锚，南锚锭采 用支护开挖深埋圆形扩大基础框架式锚体重力锚，其基坑采用圆形地下连续墙加 内衬的支护结构型式，在国内首次采用“无粘结可更换”的预应力锚固系统，概述 了锚锭的总体构造、基坑( 基础) 工程、锚体及锚固系统结构设计及技术特点。 6 第一章绪论 总之锚碇的稳定性是锚碇系统的关键问题之一。目前，抗滑移设计基本上能 满足工程需要，主要存在的问题是深基础的锚碇在水平力作用下抗倾覆安全性的 分析，由于涉及基础与地基的相互作用，其力学机制较为复杂，而临着许多新课 题和挑战，有必要进行进一步研究和力学仿真，为锚锭基础稳定性提供可靠的参 考意见。 1 2 3 基础安全监测的研究进展 建筑物基础建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种力的作 用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现异常， 而又不被我们及时掌握这种变化的情况和性质，任其险情发展，其后果不堪设想。 采用仪器对基础进行安全监测，对建筑物和人民的安全是十分必要的。 对基础进行长期和系统的监测，是诊断、预测、法律和研究等四个方面的需 要：一是诊断的需要，包括验证设计参数改进未来的设计：对新的施工技术以及 优越性进行评估和改进；对不安全迹象和险情的诊断并采取措施进行加固；以及 验证建筑物运行处于持续良好的正常状态。二是预测的需要，运用长期积累的观 测资料掌握变化规律。对建筑物的未来性态作出及时有效的预报。三是法律的需 要，对由于工程事故面引起的责任和赔偿问题，观测资料有助于确定其原因和责 任，以便法庭作出公证判决。四是研究的需要，观测资料是建筑物工作性态的真 实反映，为未来设计提供定量信息，可改进旅工技术，利于设计概念的更新和对 破坏机理的了解。正是这些必要性，各国都很重视安全监测工作，使其成为工程 建设和管理工作中极其重要的组成部分堙。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，基础工程安全监测手段的硬件和软件迅速发展，监 测范围不断扩大，监测自动化系统、数据处理和资料分析系统、安全预报系统也 在不断的完善。老工程设计采用新的可靠度设计理论与方法以来，安全监测成为 必要的手段，成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段，成为 工程设计、施工质量控制的重要手段。随着大型通用有限元软件在基础稳定性研 究及安全监测中的广泛应用，基础稳定性分析及安全监测逐渐已经实现了从最初 的定性分析到定量分析的巨大转变，研究工作也取得了突破性进展。 杨志法等( 1 9 9 5 ) 强2 1 在研究位移时空综合分析法及其在深基坑中的应用后认 为对于岩土工程设计和施工来说，如何对监测所获的位移信息进行分析十分重 7 河海大学硕士学位论文 要。以往主要采用位移一时间的分析方法。但为了使信息在修改设计和指导施工 方面起更大作用，提出位移空间比较分析法，并主张与常用的位移一时间分析方 法结合使用，以形成所谓位移时空综合分析法。在济南彩云大厦深基坑等的成功 应用，表明该法是可行的。 邵现成( 1 9 9 8 ) 1 在基坑围护工程监测方法一文中指出为确保围护结构施工、 土体开挖、地下室施工阶段基坑围护结构本身和周围环境的安全做到信息化施 工，对围护结构及周围环境的监测尤为重要。并重点介绍基坑围护工程的监测内 容及项目、监测的目的和作用、监测方法、测量测试设备的应用以及基坑围护总 体监测方案的确定。 胡友健等( 2 0 0 1 ) 汹1 介绍了深基坑工程监测数据处理与预测报警系统的功能、 结构、开发运行环境及其建立方法。该系统对深基坑的监测数据实施数据库管理； 采用灰色系统理论建立变形预测模型；采用若干定性和定量指标进行深基坑工程 极限状态的分析判别与险情预报；该系统是一个集监测数据处理、图形绘制与管 理、变形预测及险情分析判别于一体的专家集成系统。 靳晓光等( 2 0 0 1 ) 眩副研究响应面法及神经网络模型在岩土工程监测数据处理 中的应用后指出非线性回归、时间序列机会色系统分析能较好地处理一般的岩土 工程监测数据序列，但对监测数据变化较复杂的序列处理效果较差。响应面法处 理技术和神经网络模型则能较好地处理这类复杂数据序列，为岩土工程监测信息 的客观处理提供了新的研究方法。 曹宇宁( 2 0 0 1 ) 胁1 结合广州地铁二号线琶洲站的工程实践对现场监测和信息 化施工研究后，认为在地下工程施工过程中，由于地质情况复杂，基坑开挖会对 地层产生扰动，有可能引起地表或附近建( 构) 筑物的变形和沉陷，危及安全且失 事后果严重。因此，通过现场施工监测及时掌握基坑支护结构变位和周围环境条 件的变化，反馈信息以指导施工具有特别重要的意义。 孙钧等( 2 0 0 3 ) 1 在应用软科学理论于岩土工程问题变形预测与分析的基础 上，结合润扬长江公路悬索大桥北锚碇基础所进行的施工变形监控与预测工作实 践，在现场系统开展了对特深、特大型锚碇基坑变形的人工智能神经网络多步滚 动预测研究，保证了工程施工的安全及其环境维护。进而，与常规采用的传统方 法相比，论述了其研究的创意性，得出有益的结论。 8 第一章绪论 孙凯等( 2 0 0 4 ) 脚1 根据滑动体力学模型和竖向弹性地基梁模型进行了湖南大 厦深基坑支护结构设计；然后，简单介绍了c s c 工法并基于现场监测数据对该 深基坑支护方案的合理性进行了分析；最后，运用同济曙光岩土及地下工程设计 分析软件进行了深基坑动态施工模拟。现场监测和数值分析结果表明：预应力锚 索复合支护结构能有效地控制深基坑变形及地表沉降，从而达到确保深基坑自身 和周边建筑物、地下管线等安全；数值分析结果与现场监测结果基本一致。 袁宝远( 2 0 0 5 ) 针对江苏润扬长江公路大桥南锚碇深基坑，根据排桩冻结 法基坑结构和场地工程地质条件，建立了大型安全监测系统，保障了基坑的安全 与稳定，并根据施工监测说明了排桩冻结法深基坑的力学规律，为今后类似工程 积累了有效资料。 在深基坑的开挖过程及基础浇筑过程中，开展现场监测是很重要的，但由于 各种复杂的因素，有些测试的数据并不能映实际情况。目前地基基础监测系统的 设计往往停留在专家经验的基础上，缺乏具体的理论研究与指导，故地基基础安 全监测理论有待进一步发展和完善。 1 3 本文研究思路及技术路线 1 3 1 研究思路 本论文采用大型有限元计算软件a d i n a 对润扬长江大桥南锚锭基础建立三 维有限元模型，对基坑从开挖及浇筑过程，基础及锚体浇筑过程进行仿真模拟计 算，并开展锚体、基础、和土体三维变形、应力的有限元计算和整体稳定的计算 分析。研究分析基础前、后墙土体压力对锚碇基础稳定性的影响，通过研究分析， 得出悬索桥锚碇基础稳定性分析的一些有益的结论。对基础工程中钢筋混凝结构 钢筋与混凝土应力应变进行三维仿真模拟分析，找出钢筋混凝土结构钢筋应力应 变及结构受力时变形规律，找到一些影响钢筋混凝土相互作用有益因素。最后根 据三维有限元仿真分析模型的计算成果建立合理的安全监测模型；对锚碇基础的 安全稳定性进行相关评价通过理论计算模型与现场监测手段相结合，来进行大型 悬索桥锚碇基础稳定性的分析、预测与控制。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 总结国内外锚碇基础稳定性分析的发展和研究现状。 9 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 详细阐述三维弹塑性有限元的基本原理，并介绍有限元的几种常用本构 模型。介绍大型通用有限元分析软件a d i n a 的基本分析过程和非线性分析方法。 ( 3 ) 运用a d i n a 软件对基坑支撑梁建立三维有限元分析模型，对其应力应变 作用机理、作用特征、变形规律进行分析，找到重点监控部位，从而合理的对钢 筋混凝土结构进行监测分析。 ( 4 ) 建立三维有限元仿真模型，分别对排桩围护结构锚碇基础的基坑开挖、 锚碇基础浇筑、上锚体浇筑以及成桥满载的情况下进行三维有限元仿真分析。 ( 5 ) 基于三维有限元仿真模型的计算结果进行基础的抗滑移和抗倾覆稳定性 分析，弗分析相关参数对稳定性的影响。 ( 6 ) 基于三维有限元仿真模型的计算结果以及稳定性分析结果建立合理的安 全监测模型，对基础的建设及运营期的稳定性进行现场监测。 1 3 3 技术路线 本文研究的技术路线如图1 1 所示： 工程地质背景条件 建立排桩维护结构锚 锭基础三维有限元分 析模型 基坑歼挖过程动态监 测研究 锚锭基础稳定性分析 及监测研究 钢筋混凝土结构 钢筋应力应交分 析 基底反力分析 il 抗倾覆稳定性分析il 抗滑移稳定性分析 建立排桩用护结构锚锭 基础安全监控体系 工程应用及安全评价 图1 1锚碇基础稳定性分析及安全监测研究技术路线 l o 第二章本构模型与非线性有限元理论 第二章本构模型与非线性有限元理论 基坑工程施工时破坏了岩土体的应力应变状态，原开挖处的初始地应力的 释放使开挖空间周围的岩土体发生了应力重新分布，工作面周围岩土体发生弹 性、塑性变形，甚至发生坍塌等破坏现象。影响土体应力和应变的因素很多，如 土体本身的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、时间效应以及开挖方式、 施工细节等。这些因素使得土体在受力后的行为变得非常复杂，而且往往是非线 性的。在这方面，解析方法很难得到满意的结果，采用有限元方法可使许多实际 问题迎刃而解。在求解土力学问题时，采用的单元还是通常的平面或空间单元， 关键在于采用较适合土体的应力一应变关系。它既要符合实验和观测结果，又要 适合用于有限单元计算啪。所以本章着重介绍弹塑性本构模型及非线性有限元分 析方法。 2 1 弹塑性本构模型 岩土是弹塑性介质，这种介质在加载与卸载过程中的变形是完全不同的，呈 现了明显的非弹性性状。在岩土力学的非线性分析中，常采用弹性非线性模型， 它假定岩土的变形都是弹性的，通过不断修改弹性模量( 切线弹性模量) 矩阵进行 弹性非线性模拟，近似反映岩土的塑性变形。由于岩土工程施工过程中，工作面 周围岩土体会表现出一定的塑性屈服，为了能够较实际地反映这种塑性屈服特 性，在分析中宜采用岩土体材料的弹塑性模型，并给出弹塑性模型的应力一应变 关系。 2 1 1 莫尔库伦( m o h r - c o u l o m b ) 模型m 州3 3 1 m o h r - c 0 u l o m b 破坏和强度准则是岩土工程中被广泛采用的准则， m o h r - c o u l o m b 假设破坏是由最大剪应力控制，剪应力和正应力关系如图2 1 所 示。 破坏条件为： f = c + 盯t 锄缈 ( 2 一1 ) 在碧l t 平面上的m o h r - c o u l o m b 准则： 河海大学硕士学位论文 t 。、巾 cc o s 妒 r 、l c 硝 n 一吒。 图2 1 莫尔库伦模型 又可表示为： r = j c o s 痧，仃= + s s i n 带入得到主应力表示的屈服函数：譬+ s i n 一c c 。s = o ，j = 三p 。一c r 3 ) 其中：= 三p 。+ 吒) 吒l 图2 2 奠尔库伦模型在偏平面上的形状 和d m k e 卜p r a g e r 准则不同，m o h r - c o u l o m b 准则独立于中主应力的影响，而 典型的岩土材料的屈服般都和中主应力有关，尽管如此，m o h r c o u l o m b 准则 很多情况下还是比较准确的反映了岩土材料的特性，所以仍然是岩土工程中的主 要屈服准则。 2 1 2d m k e r - p r a g e r 模型1 f = 3 胁。+ 巴p y 瞰 i q = 。 ( 2 - 2 ) 这是d m k e r - p r a g e r 准则的一般形式，是等效静水压力= l 3 t r a c e ( o ) ，考虑 1 2 第二章本构模型与非线性有限元理论 了中主应力的影响，后来很多学者又加入了修正的d f l l c k e r - p r a g e r c a p 模型。准 则有两个屈服面，d m c k e r p r a g e r 剪切屈服面和帽子屈服面，在两个面之间有个 t r 绷s i t i o ns u r 蟊l c e 来连接。 在j p l t 平面上的修正的d m c k e r - p m g e r f c a p 模型的屈服面如图2 3 所示： 氐赢茹艮 差i t c | p 巳帆t a n 参 图2 3d m c k e r - p 喇弹c a p 模型 帽子模型有两个作用：它反映了静水压力屈服，提供了非弹性硬化机制来表 示塑性紧缩，并且它可以提供由于材料在d m c k e r - p 疆g e r 剪切破坏面上产生剪切 屈服而产生非弹性体积增加的软化函数控制体积膨胀。模型在帽子区域使用关联 流动法则，在d r u c k e r - p r a g e r 剪切和t r 锄s i t i o n 区域使用非关联流动法则。 应变率分解： 如= 如d + 如+ 如。( 2 3 ) 其中如”是非弹性蠕变应变率 f i d + p ；妇镧 图2 ：4d 1 1 j c k e 卜p r a g e r c 印模型流动势函数 ，| 、， 学 河海大学硕士学位论文 这是p - t 平面上的d m c k e 卜p r a g e r c 印模型的流动势函数： q = q = ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 可以看到帽子区域的势函数和屈服面是一致的，而剪切区域和1 粕s i t i o n 区 域的流动势函数则和屈服面不同 这是偏平面上的屈服流动面： i 葛3 | ，。 ( 1 + ) ( 1 2 ) 时，表示。 o ( 近似) ，材料压碎，丧失刚度。 当l 口 ( 1 + ) ( 1 2 ) 时，表示材料部分拉裂，部分压碎，变为沿方向 拉裂，其它方向丧失了百南倍的刚度。 四参数准则具有彳、曰、c 、d 四个可变的参数，如能选择其适当的值， 实验结果都能得到很好的反映。该准则不仅反映了静水压力项小偏应力项j ：对 强度的影响，还反映了第一主应力对强度的影响。可以认为，四参数准则把塑性 破坏和脆性破坏统一地表达出来。 2 2 非线性有限元求解原理 2 2 1 非线性问题的概述阱1 产生非线性现象的原因有很多，在一般情况下可以归纳为三类：一是材料的 非线性；二是几何非线性；三是接触非线性。 材料非线性又称为物理非线性。材料的非线性问题可以分为两类。一类是不 依赖于时间的弹塑性问题，其特点是当荷载作用以后，材料变形立即发生，并且 不再随时间而变化。另一类是依赖于时间的黏( 弹、塑) 性问题，其特点是荷载 作用以后，材料不仅立即发生变形，而且变形随时间而继续变化，在荷载保持不 变的条件下，由于材料的黏性而继续增长的变形称之为蠕变。另方面在变形保持 不变的条件下，由于材料的黏性而使应力衰减称之为松弛。 材料非线性的特点是应力矿与应变s 之间为非线性关系，通常与加载历史有 关，加载和卸载不是同一途径( 如图2 6 ) ，因而其物理方程为： 1 5 河海大学硕士学位论文 = d o ( 2 8 ) 图2 6 应力路径 其中的弹性矩阵d 是应变g 的函数。但是材料非线性问题仍属于小变形问题， 位移和应变是微量，其几何方程是线性的，土、岩石、混凝土等具有典型的材料 非线性性质。 几何非线性属于大变形问题，位移和应变或者其中之一是有限量。可能出现 三种情况：大位移、小应变，小位移、大应变和大位移、大应变。此时反映应变 和位移关系的几何方程是非线性方程。如果应力和应变之间的关系也是非线性 的，那就是双线性关系。不过，在几何非线性问题中一般认为应力在弹性范围内， 应力盯与应变s 之间为线性关系。 在采用有限元方法分析非线性问题时，以上两类都表现为结构的整体劲度矩 阵k 不再是常量矩阵，而是节点位移j 的函数。有限元法都需要采用增量分析方 法，有两种表达形式。第一种格式中所有静力学和动力学变量总是参考于初始位 形，这种格式称为完全的l a g r 锄g e 格式。另一种格式是在分析过程中参考位形 是不断更新的，这种格式称为更新的l a g r 孤g e 格式。在通用的有限元分析程序 中，通常同时包含这两种格式，使用时可以根据所分析问题的及本构关系的具体 特点和形式选择最有效的形式。 接触非线性由于接触体的变形和接触边界的摩擦作用，使得部分边界条件随 加载过程而变化，且不可恢复。这种有边界条件的可变性和不可逆性产生的非线 性问题称为接触非线性。这类问题在有限元分析时，表现为节点荷载r 与万有关。 2 2 2 弹塑性材料的有限元求解原理阕汹1 对于弹塑性材料来说，当材料的应力达到某一极限进入塑性状态以后，材料 此时的应力应变关系是非线性的，用l d p 来表示进入塑性后的非线性的应力应 1 6 第二章本构模型与非线性有限元理论 变关系，即： p ) = 陋p p ) ( 2 - 9